微生物共代謝處理印染廢水研究進(jìn)展

張慶云，謝學(xué)輝，柳建設(shè)

（1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2國家環(huán)境保護(hù)紡織污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620）

微生物共代謝處理印染廢水研究進(jìn)展

張慶云1，2，謝學(xué)輝1，2，柳建設(shè)1，2

（1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2國家環(huán)境保護(hù)紡織污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620）

利用微生物共代謝降解有機(jī)污染物因其高效性和獨(dú)特性而受到廣泛地關(guān)注，但是目前實(shí)驗(yàn)室研究主要以好氧共代謝和厭氧共代謝研究為主，對于兼性微生物共代謝作用及其機(jī)制研究較少。本文綜合介紹了好氧微生物、厭氧微生物以及兼性微生物共代謝處理印染廢水中難降解污染物的情況，著重回顧了國內(nèi)外兼性微生物共代謝處理印染廢水的研究進(jìn)展。綜合分析文獻(xiàn)結(jié)果表明，在兼氧條件下，只要提供適合的共代謝基質(zhì)，兼性微生物可以對多種不同類型的染料、助劑等進(jìn)行有效地降解，同時兼性微生物共代謝具有不需要大量能源動力，不產(chǎn)生大量臭氣物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。分析認(rèn)為今后可加強(qiáng)兼性微生物共代謝相關(guān)機(jī)理研究，進(jìn)一步提高兼性微生物共代謝處理污染物的效率，促使其深入發(fā)展。最后展望了兼性微生物共代謝技術(shù)機(jī)理的研究方向，以期篩選出菌群中優(yōu)勢功能菌種，進(jìn)行蛋白質(zhì)差異表達(dá)、蛋白質(zhì)組學(xué)方面的研究，并不斷優(yōu)化印染廢水污染物共代謝處理微生物群落結(jié)構(gòu)比例來促進(jìn)功能菌群的處理效果，為今后解決印染廢水生物治理問題提供更多借鑒和參考。

共代謝；印染廢水；兼性微生物；染料

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)和紡織行業(yè)的迅猛發(fā)展，印染廢水的排放量日益增多。2013年《中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》中顯示，在調(diào)查統(tǒng)計(jì)的41個工業(yè)行業(yè)中，紡織業(yè)的廢水排放量位于第三位，年排放量約為21.5億噸，化學(xué)需氧量排放量（COD）和氨氮排放量則分別位于第四位和第三位。

印染廢水水質(zhì)復(fù)雜，各種人工合成的染料（偶氮染料、蒽醌染料、靛類染料、芳香甲烷染料等）、聚乙烯醇（PVA）漿料、助劑（表面活性劑）的加入使得其具有以下幾個特點(diǎn)：色度大、有機(jī)物含量高、COD變化大、堿性大、可生化性較差、水溫水量變化大等[1]。因此，印染廢水一直是公認(rèn)的難處理的廢水之一。未經(jīng)有效處理的印染廢水不僅污染了水體，加劇了我國水資源短缺的形勢，其生物毒性和三致作用（致畸、致癌、致突變作用）也嚴(yán)重危害了人體健康。目前，處理印染廢水主要有物理法、化學(xué)法和生物法。生物法因其處理成本低廉、產(chǎn)泥量少、對環(huán)境產(chǎn)生的二次污染小、不需特殊設(shè)備，具有較好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)等，而得以廣泛應(yīng)用。而共代謝作為微生物的一種重要代謝機(jī)制，在生物法處理印染廢水方面具有重大的意義。目前實(shí)驗(yàn)室研究多以好氧共代謝和厭氧共代謝為主，而對于兼性微生物共代謝及其機(jī)制研究較少。本文將從好氧微生物、厭氧微生物、兼性厭氧微生物通過共代謝方式處理印染廢水方面進(jìn)行綜合介紹，著重介紹國內(nèi)外兼性微生物共代謝處理印染廢水的研究進(jìn)展情況，并展望兼性微生物共代謝技術(shù)的研究方向。

1 共代謝簡介

早期研究發(fā)現(xiàn)甲烷假單胞菌能夠在生長基質(zhì)存在時對非生長基質(zhì)進(jìn)行氧化，這一現(xiàn)象最早由LEADBETTER和FOSTER[2]于1959年研究時提出。他們通過研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)甲烷菌能夠?qū)⒁彝檠趸梢掖己鸵胰?，但在氧化的過程中不能利用乙烷作為生長基質(zhì)，將這一現(xiàn)象稱作共氧化。隨后，JENSEN[3]對其內(nèi)涵進(jìn)行了擴(kuò)展，稱之為共代謝。共代謝是指微生物利用一種容易降解的物質(zhì)作為支持生長的營養(yǎng)基質(zhì)，而同時降解另一種物質(zhì)，通常后一種物質(zhì)的降解不支持微生物的生長。微生物共代謝作用廣泛地應(yīng)用于印染廢水處理過程中，而影響其作用的因素主要包括生長基質(zhì)的類型、生長基質(zhì)的投加劑量、污染物代謝中間產(chǎn)物的投加、污染物結(jié)構(gòu)類似物的投加、營養(yǎng)物質(zhì)的投加以及環(huán)境因素等[4]，分析這些影響因素可以在一定程度上提高共代謝脫色降解染料、助劑、漿料等典型難降解污染物的效率。此外，微生物共代謝技術(shù)還廣泛應(yīng)用于土壤修復(fù)[5]、地下水修復(fù)[6]等環(huán)境污染領(lǐng)域。表1匯總了目前一些實(shí)驗(yàn)研究中常見的具有共代謝功能的微生物及其降解功能、共代謝基質(zhì)等。

由表1可以看出，多種微生物具有共代謝功能，能利用多種多樣的基質(zhì)進(jìn)行共代謝。如蠟狀芽孢桿菌能夠以葡萄糖作為共代謝基質(zhì)降解多環(huán)芳烴（熒蒽、蒽、菲、苯并[a]芘）；惡臭假單胞菌能以甲苯為共代謝基質(zhì)好氧共代謝三氯乙烯（TCE）。而黃單胞菌具有利用簡單有機(jī)碳、水溶性維生素和氨基酸等共代謝基質(zhì)降解聚乙烯醇（PVA）的能力；蠟狀芽孢桿菌、煙管菌、乳桿菌、干酪乳桿菌等在共代謝基質(zhì)如蛋白胨、木質(zhì)纖維素、葡萄糖、酵母粉、蔗糖等存在時能對偶氮類染料進(jìn)行有效降解。而且，針對同一有機(jī)污染物，微生物可以分別用好氧共代謝和厭氧共代謝兩種方式進(jìn)行降解。如三氯乙烯（TCE），厭氧共代謝主要是借助還原脫氯作用分解TCE，但是其過程可能會累積毒性更髙的氯乙烯等中間產(chǎn)物[23]。好氧共代謝TCE時，主要以汽油和苯酚為生長基質(zhì)，TCE-C1全部轉(zhuǎn)化為自由的氯離子，TCE的礦化程度更徹底[18]。

微生物共代謝降解污染物的現(xiàn)象廣泛存在，在印染廢水生物處理方面也是其重要的微生物作用機(jī)制。目前印染廢水微生物共代謝處理主要以好氧共代謝和厭氧共代謝研究較多。

表1 具有共代謝功能的微生物

2 好氧微生物共代謝處理印染廢水

2.1 好氧微生物共代謝處理靛類染料

靛藍(lán)染料是一種靛類染料。靛藍(lán)（結(jié)構(gòu)式如圖1所示）屬于還原性染料，微溶于水、乙醇、甘油和丙二醇，不溶于油脂，廣泛應(yīng)用于食品著色劑、醫(yī)藥和印染工業(yè)[24]。靛藍(lán)的發(fā)色基團(tuán)屬于蒽酮型，其結(jié)構(gòu)對稱，性質(zhì)穩(wěn)定，不易被氧化和裂解。因而含靛藍(lán)染料的印染廢水色度大降解脫色困難，易在環(huán)境中積累而對環(huán)境造成污染，屬于一種難處理的工業(yè)廢水。張為[25]將馴化成熟的活性污泥用于靛藍(lán)的生物降解試驗(yàn)，添加不同的共代謝基質(zhì)（蔗糖、乙酸鈉、葡萄糖、淀粉、乙醇、抗壞血酸）觀察對靛藍(lán)降解速率的影響，研究發(fā)現(xiàn)，各基質(zhì)對靛藍(lán)的降解促進(jìn)作用依次為：蔗糖＞乙酸鈉＞葡萄糖＞淀粉＞乙醇，而抗壞血酸則表現(xiàn)為一定的抑制作用。此外，同種基質(zhì)以不同的質(zhì)量添加比添加時對靛藍(lán)降解速率的影響也不一樣，各共代謝基質(zhì)的最佳質(zhì)量添加比分別是：蔗糖、乙酸鈉、葡萄糖、淀粉為1∶1，乙醇為1∶2。

圖1 靛藍(lán)化學(xué)結(jié)構(gòu)式

2.2 好氧微生物共代謝處理芳香甲烷染料

芳香甲烷染料是含有甲烷分子中的氫被苯或萘取代而形成發(fā)色結(jié)構(gòu)的一類染料，主要有三苯甲烷染料。三苯甲烷類染料是繼偶氮染料、蒽醌染料之后使用最廣泛的第三大類染料，在紡織工業(yè)、造紙業(yè)、皮革處理以及食品、化妝品等輕工業(yè)中均有著廣泛的應(yīng)用?？兹妇G（結(jié)構(gòu)式如圖2所示）是一種帶有金屬光澤的綠色結(jié)晶體，屬于三苯甲烷類染料，具有致癌性。有研究顯示，攝入這種染料會使人類以及其他動物的生育能力降低以及致畸致癌作用[26]。YANG等[27]從乳白耙菌F17中分離出錳過氧化物酶，對200mg/L孔雀綠進(jìn)行脫色實(shí)驗(yàn)，1h脫色率高達(dá)96%。

圖2 孔雀綠結(jié)構(gòu)式

結(jié)晶紫（CV，結(jié)構(gòu)式如圖3所示）是一種堿性染料，屬于三苯甲烷類染料。譙建軍[28]從印染廢水和污水處理廠活性污泥中篩選分離得到一株高效降解菌株Kingella H，在外加生長基質(zhì)的條件下，通過共代謝作用，菌株Kingella H對CV及其降解中間產(chǎn)物的降解脫色效果顯著。其中，在pH7.0左右、溫度35℃、葡萄糖濃度6g/L、搖床轉(zhuǎn)速150 r/min時具有最佳的降解活性。

圖3 結(jié)晶紫結(jié)構(gòu)式

2.3 好氧微生物共代謝處理聚乙烯醇（PVA）漿料

聚乙烯醇（PVA，結(jié)構(gòu)式如圖4所示）是一種具有諸多優(yōu)良性質(zhì)的水溶性高分子聚合物，其獨(dú)特的強(qiáng)力黏附性、漿膜柔韌性、平滑性、耐油性、耐溶劑性、耐磨性等使其被廣泛應(yīng)用于紡織、化纖、造紙、印染等多種行業(yè)中。張興等[7，29]從腐敗的PVA膠水中分離到一株能夠高效獨(dú)立降解并礦化PVA的黃單胞菌（Xanthomonassp.），考察了部分簡單有機(jī)碳源（葡萄糖、乙酸鈉、丙三醇）、水溶性維生素、氨基酸（甲硫氨酸、半胱氨酸）這3類共代謝基質(zhì)對該菌株細(xì)胞生長和降解PVA的影響。結(jié)果表明，葡萄糖、丙三醇能加快PVA降解，水溶性維生素對菌體生長和PVA降解不產(chǎn)生明顯影響，甲硫氨酸、半胱氨酸對促進(jìn)細(xì)胞代謝進(jìn)而促進(jìn)降解PVA也產(chǎn)生了較大影響。

除了以上好氧條件下微生物共代謝處理不同染料、助劑等研究較多外，厭氧條件下微生物共代謝處理印染廢水也有較多研究。

圖4 聚乙烯醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

3 厭氧微生物共代謝處理印染廢水

3.1 厭氧微生物共代謝處理偶氮染料

偶氮染料是目前應(yīng)用最為廣泛、品種最多的一類合成染料，其特點(diǎn)是存在一個或多個偶氮基（—N==N—）與芳香環(huán)相連接且主要取代磺酸鹽、鹵代基或其他官能團(tuán)。這些復(fù)雜的取代芳香基的結(jié)構(gòu)提高了水的溶解度和染料在自然環(huán)境中的抗性，從而形成了共軛體系并使水體帶有深色[30]。偶氮染料廢水中存在具有致癌性和毒性的芳香胺化合物[31]且其毒性具有潛在性，嚴(yán)重危害了人類健康，也是公認(rèn)的難治理的高濃度有機(jī)廢水之一。宋汕柯[12]分離純化了一株高效脫色菌株Y8，在脫色條件為30℃、pH7.0、接種量為15%的厭氧環(huán)境下，以葡萄糖作為外加碳源和以酵母粉作為外加氮源對雙偶氮染料活性黃84進(jìn)行脫色，36h脫色率能達(dá)到98%以上。此外，還研究了不同染料與活性黃84混合脫色對活性黃84脫色率的影響，結(jié)果表明酸性紅172能促進(jìn)活性黃84脫色（24h脫色率即達(dá)到了100%），酸性紅35和酸性藍(lán)127的抑制作用很強(qiáng)（48h脫色率僅為50%左右）。

活性黑5（reactive black 5，RB5，結(jié)構(gòu)式如圖5所示）是活性染料中產(chǎn)量最多、用途最廣的一種典型的偶氮染料，其分子中有偶氮鍵、苯環(huán)、萘環(huán)、磺酸基等基團(tuán)，廣泛應(yīng)用于棉、麻、蠶絲及錦綸的染色和印花，易溶于水?；钚院?在生產(chǎn)和使用過程中產(chǎn)生的廢水具有偶氮染料廢水普遍的特征：色度深、COD高、生物降解性能差，因此對活性黑5的脫色降解關(guān)注度較高。陳剛[32]從處理印染廢水的活性污泥中篩選得到高效降解菌GY-1，在厭氧條件下，菌株GY-1對RB5的脫色降解是通過微生物共代謝機(jī)理實(shí)現(xiàn)的。葡萄糖、淀粉、蔗糖、果糖、半乳糖、草酸和檸檬酸均可以作為RB5脫色的共代謝底物，其中葡萄糖作為共基質(zhì)時脫色降解效果較好。有機(jī)氮（牛肉膏和蛋白胨）對RB5脫色具有促進(jìn)作用，而無機(jī)氮（硝酸鈉）對RB5脫色具有明顯的抑制作用。本文作者課題組范鳳霞[33]利用梯度濃度壓力馴化法，從運(yùn)行良好的印染廢水生物處理系統(tǒng)（A+OSA剩余污泥減量系統(tǒng)）二號厭氧反應(yīng)器活性污泥中篩選馴化出對活性黑5具有良好脫色性能的混合菌群FF。混合菌群FF在活性黒5初始濃度為200mg/L的脫色培養(yǎng)基中，在35℃、pH 8.0的條件下，靜置培養(yǎng)24h后其最高脫色率可達(dá)94.8%，連續(xù)培養(yǎng)150代以后其脫色效果依然非常穩(wěn)定。研究了培養(yǎng)基中不同碳、氮源對混合菌群FF生長和脫色的影響，其中在碳源試驗(yàn)中，當(dāng)碳源為蔗糖時脫色效果最好；在氮源試驗(yàn)中，當(dāng)?shù)礊榈鞍纂藭r，生長和脫色總體效果最好。

圖5 活性黑5結(jié)構(gòu)式

3.2 厭氧微生物共代謝處理蒽醌染料

蒽醌類染料按照結(jié)構(gòu)可分為芳氨基蒽醌、氨基蒽醌和雜環(huán)蒽醌；按應(yīng)用性能可分為酸性、堿性、直接、分散、活性、還原染料。蒽醌染料的分子結(jié)構(gòu)中含有一個或多個羰基（C==O）共軛體系，大部分為芳香族高分子化合物，含有蒽醌染料的廢水具有有機(jī)成分含量高、不易被氧化、生化性差等特點(diǎn)[34]。某些蒽醌類活性染料對動物有致畸、致毒和致癌效應(yīng)[35-38]，可使一些微生物發(fā)生突變，從而無法進(jìn)行有效的生物降解。經(jīng)過長期的研究與積累，目前處理蒽醌類染料及其中間降解產(chǎn)物的主要有物理法、化學(xué)法和生物法。其中生物法主要是利用微生物共代謝功能將染料廢水中呈溶解和膠體狀態(tài)的有機(jī)污染物降解并轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。

活性艷藍(lán)（結(jié)構(gòu)式如圖6所示）是一種應(yīng)用廣泛、產(chǎn)量極高的蒽醌染料，其毒性很大。黃永輝等[39]采用發(fā)光菌對偶氮類、蒽醌類等21種活性染料的毒性進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)20mg/L的蒽醌染料——活性艷藍(lán)KN-R的毒性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大多數(shù)100～200mg/L的雙偶氮或單偶氮染料。董曉麗[40]從紡織廢水中分離篩選出一株膠質(zhì)紅假單胞菌XL-1，其在厭氧光照條件下通過微生物共代謝機(jī)理實(shí)現(xiàn)對活性艷藍(lán)KN-R的脫色，蛋白胨、牛肉膏、葡萄糖、檸檬酸、蘋果酸、淀粉、乙酸鈉均可以作為其脫色的共代謝底物，蛋白胨是最佳的底物。在活性艷藍(lán)KN-R濃度（50mg/L）一定的條件下，無蛋白胨存在時，菌株XL-1不能使KN-R脫色；隨著蛋白胨濃度的升高（從0.01g/L提高至55g/L），菌株XL-1對活性艷藍(lán)KN-R的脫色效率明顯提高，脫色率從50.35%升至93.05%。

圖6 活性艷藍(lán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

利用好氧微生物進(jìn)行共代謝處理污染物，需要提供大量氧氣，需要消耗大量能源動力。利用厭氧微生物進(jìn)行共代謝處理污染物，需要提供比較嚴(yán)格的厭氧條件，而且容易產(chǎn)生硫化氫、甲烷等臭氣物質(zhì)，污染空氣。而兼性微生物（facultative microorganisms），進(jìn)行共代謝處理污染物不需要供氧，不需要大量能源動力，同時兼性微生物共代謝主要是將降解污染物由大分子難降解形態(tài)，降解為小分子易降解形態(tài)，不會產(chǎn)生硫化氫、甲烷等臭氣物質(zhì)。兼性微生物在自然界中廣泛存在，它們能在有氧或無氧環(huán)境中生長繁殖，在有氧或無氧條件下，可通過不同的氧化方式獲得能量，兼有有氧呼吸和無氧發(fā)酵兩種功能。在印染廢水處理工藝中，廣泛使用的水解酸化工藝階段，就主要是由兼性微生物進(jìn)行降解作用。

4 兼性微生物共代謝處理印染廢水

4.1 兼性微生物共代謝處理偶氮染料

ZEENAT等[41]研究了人工組合菌群AR1在微氧條件下利用不同糖源共代謝磺酸基偶氮染料-活性紅195，采用了葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、麥芽糖和半乳糖作為不同基質(zhì)進(jìn)行共代謝脫色，結(jié)果表明脫色效果依次為麥芽糖＞淀粉＞蔗糖＞果糖＞葡萄糖＞半乳糖。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明AR1通過菌群協(xié)同作用可在14h內(nèi)將活性紅195完全脫色，但當(dāng)有麥芽糖和蛋白胨作為共代謝基質(zhì)存在時，AR1對活性紅195的脫色效果更加顯著。酸性紅B是一種典型的偶氮染料，該染料染色牢度差，在廢水中殘留濃度最高。陳梅雪等[8]從蛋白胨培養(yǎng)液中篩選出一株純菌種——蠟狀芽孢桿菌，是在好氧和厭氧條件下均能較好生長的兼性細(xì)菌。在兼性好氧的實(shí)驗(yàn)條件下，研究了染料初始濃度、菌種濃度、溫度、pH等因素對蠟狀芽抱桿菌純菌種共代謝酸性紅B的脫色行為的影響，初步探討了含染料廢水共代謝降解過程，結(jié)果表明酸性紅B的共代謝降解符合一級動力學(xué)方程。

4.2 兼性微生物共代謝處理助劑

紡織印染助劑一般分為前處理劑、印染助劑、后整理劑及其他助劑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在紡織印染助劑的生產(chǎn)過程中，80%的原料為表面活性劑，其余約20%為功能性助劑。因此，在印染廢水助劑處理方面主要是對表面活性劑的處理。表面活性劑主要分為陰離子型、陽離子型和非離子型。直鏈型烷基苯磺酸鹽（linear alkylbenzene sulfonate，LAS）是一種典型的陰離子表面活性劑，由于其良好的乳化性，被廣泛應(yīng)用于紡織、印染等行業(yè)。隨著LAS使用量及使用范圍的擴(kuò)大，隨之而來的環(huán)境污染問題也越來越嚴(yán)重，人們逐漸注意它的毒性及污染方面的研究和治理。季瑞武等[11]利用已經(jīng)分離鑒定的2株細(xì)菌克雷伯氏菌屬（Klebsiellasp.）和腸桿菌屬（Enterobactersp.）對直鏈型烷基苯磺酸鹽（LAS）進(jìn)行研究，通過正交實(shí)驗(yàn)確定其最佳降解條件，并分析了降解動力學(xué)特征。結(jié)果顯示，當(dāng)溫度30℃、pH為7.5、裝液量為50mL時最適合兩株細(xì)菌降解LAS。其中菌株克雷伯氏菌屬（Klebsiellasp.）在生長基質(zhì)葡萄糖質(zhì)量濃度為500mg/L時，對50mg/L LAS降解率為94.2%；菌株腸桿菌屬（Enterobactersp.）在生長基質(zhì)葡萄糖質(zhì)量濃度為1000mg/L時，對50mg/L LAS降解率為92.2%；當(dāng)LAS質(zhì)量濃度在25～100mg/L范圍內(nèi)，2菌株降解反應(yīng)符合一級動力學(xué)特征。

4.3 兼性微生物共代謝處理直接染料

直接染料易溶于水，是一種不需要其他助染劑可以直接使棉、麻等各種纖維染色的一種常用染料，是目前產(chǎn)量最多的一大類染料[42]。其生產(chǎn)廢水成分復(fù)雜，往往含有多種有機(jī)染料及中間體，處理直接染料廢水一直是工業(yè)廢水的難點(diǎn)[43]。袁海源等[43]研究了6大類14種直接染料（金屬絡(luò)合型4種，脲型3種，聯(lián)苯胺型、多偶氮型、二苯乙烯型各2種，聯(lián)甲苯胺型1種）在兼氧條件下的降解性能和脫色效果。實(shí)驗(yàn)分為不投加葡萄糖和投加葡萄糖兩種情況，結(jié)果表明相比同條件下未添加葡萄糖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，添加葡萄糖的實(shí)驗(yàn)COD去除率及脫色效果均有明顯提高，證實(shí)了葡萄糖作為在共代謝基質(zhì)對促進(jìn)染料降解起到了非常積極的作用。

表2匯總了近十幾年來印染廢水中存在的主要染料、漿料、助劑等不同污染物，在好氧、厭氧以及兼氧條件下，微生物利用不同類型的共代謝基質(zhì)對其進(jìn)行脫色、降解等的情況。

由表2可以看出，在好氧條件下，當(dāng)以蒽醌類染料靛藍(lán)為目標(biāo)污染物時，以蔗糖作為共代謝基質(zhì)對靛藍(lán)生物降解速率的促進(jìn)作用最好；當(dāng)以三苯甲烷類染料結(jié)晶紫及其降解中間產(chǎn)物為目標(biāo)污染物時，以葡萄糖作為碳源共基質(zhì)對其降解脫色效果顯著；當(dāng)以漿料聚乙烯醇（PVA）為目標(biāo)污染物時，以葡萄糖和丙三醇作為共代謝基質(zhì)能加快PVA降解；當(dāng)以助劑（表面活性劑）直鏈型烷基苯磺酸鈉（LAS）為目標(biāo)污染物時，在最佳降解條件下，以葡萄糖作為碳源共基質(zhì)對50mg/L的LAS的降解率高達(dá)94.2%。在厭氧條件下，當(dāng)以蒽醌類染料活性艷藍(lán)KN-R為目標(biāo)污染物時，蛋白胨可作為其共代謝脫色的最佳底物；當(dāng)以偶氮類染料活性黑5為目標(biāo)污染物時，以蔗糖和葡萄糖分別作為碳源共基質(zhì)對其脫色降解效果最好；當(dāng)以偶氮類染料活性黃84為目標(biāo)污染物時，以葡萄糖和酵母粉作為共代謝基質(zhì)，36h脫色率均能達(dá)到98%以上。在兼氧條件下，當(dāng)以偶氮類染料活性紅195為目標(biāo)污染物時，麥芽糖作為碳源共基質(zhì)脫色效果最好，蛋白胨作為氮源共基質(zhì)脫色效果最好；當(dāng)以直接染料直接紫N和直接灰D各自為目標(biāo)污染物時，以葡萄糖作為共代謝基質(zhì)，COD去除率及脫色率分別高達(dá)50.4%、96.1%和49.8%、94.6%。以上內(nèi)容表明在不同的條件（好氧、厭氧、兼氧）下，針對不同的目標(biāo)污染物有其最合適的共代謝基質(zhì)，而對于同一種目標(biāo)污染物不同共代謝基質(zhì)也會產(chǎn)生效能差異，這可能主要與不同培養(yǎng)條件下功能微生物群落結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。同時，以上結(jié)果也表明，在兼氧條件下，只要提供適合的共代謝基質(zhì)，兼性微生物可以對多種不同類型的染料如偶氮類染料、直接類染料，助劑如直鏈型烷基苯磺酸鹽（LAS）等進(jìn)行有效地降解。相比于好氧微生物共代謝處理污染物，需要提供大量氧氣，需要消耗大量能源動力。厭氧微生物共代謝處理污染物，需要提供比較嚴(yán)格的厭氧條件，而且容易產(chǎn)生硫化氫、甲烷等臭氣物質(zhì)，污染空氣。兼性微生物具有不需要供氧，不需要大量能源動力，大大降低運(yùn)行成本，同時不會產(chǎn)生硫化氫、甲烷等臭氣物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，今后應(yīng)該加強(qiáng)相關(guān)機(jī)理研究，進(jìn)一步提高兼性微生物處理污染物的效率，促使其深入發(fā)展。

表2 微生物利用不同類型共代謝基質(zhì)在不同培養(yǎng)條件下對染料、漿料、助劑進(jìn)行脫色降解

表2 微生物利用不同類型共代謝基質(zhì)在不同培養(yǎng)條件下對染料、漿料、助劑進(jìn)行脫色降解 （續(xù)表）

5 展望

關(guān)于微生物共代謝脫色降解染料、助劑、漿料等的效果研究已經(jīng)比較多了，但是，關(guān)于微生物在好氧、厭氧、兼氧等不同條件下，利用不同共代謝基質(zhì)對不同目標(biāo)污染物進(jìn)行共代謝的微生物學(xué)機(jī)制研究還比較少。尤其是在兼氧條件下，微生物共代謝處理印染廢水污染物的機(jī)理方面的研究更是鮮見報(bào)道。今后可加強(qiáng)開展好氧、厭氧、兼氧條件下微生物共代謝處理印染廢水污染物機(jī)制方面的研究。探討不同條件下，不同共代謝基質(zhì)對染料、助劑、漿料等脫色降解菌群脫色性能、降解機(jī)理、群落結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)一步篩選出菌群中優(yōu)勢功能菌種，進(jìn)行蛋白質(zhì)差異表達(dá)、蛋白質(zhì)組學(xué)方面的研究。將功能菌群或者功能菌種應(yīng)用于印染廢水處理中，從而更好地優(yōu)化印染廢水污染物共代謝處理微生物群落結(jié)構(gòu)比例，進(jìn)一步促進(jìn)功能菌群的處理效果，為解決印染廢水生物治理問題提供借鑒和參考。

[1] 謝學(xué)輝，劉娜，朱文祥，等. 印染廢水脫色生物強(qiáng)化工程菌的構(gòu)建及應(yīng)用進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2013，32（4）：869-873.XIE Xuehui，LIU Na，ZHU Wenxiang，et al. Construction of bioaugmentation engineered bacteria and their application on dyeing wastewater decolorizing：a review[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2013，32（4）：869-873.

[2] LEADBETTER E R，F(xiàn)OSTER J W. Oxidation products formed from gaseous alkanes by the bacteriumPseudomonas methanica[J]. Arch.Biochem. Biophys，1959，82（2）：491-492.

[3] JENSEN H L. Carbon nutrition of some microorganisms decomposing halogen-substituted aliphatic acids[J]. Acta. Agr.Scand，1963，13（4）：404-412.

[4] 滕菲，楊雪蓮，李鳳梅，等. 微生物對環(huán)境中難降解有機(jī)污染物共代謝作用[J]. 微生物學(xué)雜志，2016，36（3）：80-85.TENG Fei，YANG Xuelian，LI Fengmei，et al. Microbialco-metabolism of persistent organic pollutants in environment[J].Journal of Microbiology，2016，36（3）：80-85.

[5] YAO LF，TENG Y，LUO YM，et al. Biodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons（PAHs）by trichoderma reesei FS10-C and effect of bioaugmentation on an aged PAH-contaminated soil[J].Bioremediation Journal，2015，19（1）：9- 17.

[6] LI H，ZHANG S Y，WANG X L，et al. Aerobic biodegradation of trichloroethylene and phenolco-contaminants in groundwater by a bacterial community using hydrogen peroxide as the sole oxygen source[J]. Environmental Technology，2015，36（5）：667- 674.

[7] 張興，堵國成，陳堅(jiān). 營養(yǎng)因子對黃單胞菌降解聚乙烯醇的影響[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36（6）：853-857.ZHANG Xing，DU Guocheng，CHEN Jian. Effect of nutrients on poly(vinyl) alcohol degradation by a strain ofXanthomonassp.[J].Journal of China University of Mining & Technology，2007，36（6）：853-857.

[8] 陳梅雪，劉會娟，王菊思，等. 蠟狀芽袍桿菌對偶氮染料酸性紅B的共代謝脫色研究[C]//中國化學(xué)會第八屆水處理化學(xué)大會暨學(xué)術(shù)研討會論文集，呼和浩特，2006.CHEN Meixue，LIU Huijuan，WANG Jusi，et al. Study on decolorization of azo dye-Acid Red B byBacilluscereusthroughco-metabolism[C]//Chinese Chemical Society of the Eighth Water Treatment Chemical Conference and Symposium Proceedings，Hohhot，2006.

[9] 張振. 產(chǎn)吲哚乙酸菌、熒蒽降解菌強(qiáng)化植物修復(fù)熒蔥污染土壤[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.ZHANG Zhen. IAA-secretingBacteria，flu-degradingBacteriaenhanced the remediation of Flu in soils by plant[D]. Nanjing：Nanjing Agricultural University，2014.

[10] JONSTRUP M，KUMAR N，GUIEYSSE B，et al. Decolorization of textile dyes byBjerkanderasp BOL13 using waste biomass as carbon source[J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology，2013，88（3）：388-394.

[11] 季瑞武，周利，冉治霖，等. LAS共代謝降解菌的降解動力學(xué)研究[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，32（4）：449-452.JI Ruiwu，ZHOU Li，RAN Zhilin，et al. Study on degradation kinetics ofco-metabolic biodegradation of linear alkylbenzene sulfonate strains[J]. Journal of Harbin University of Commerce（Natural Sciences Edition），2016，32（4）：449-452.

[12] 宋汕柯. 高效染料脫色菌的篩選與脫色機(jī)理研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2014.SONG Shanke. Selection of high-effective decolorizing bacteria and research on the mechanism of decolorization[D]. Guangzhou：South China University of Technology，2014.

[13] 張祥勝，李軍輝，康怡軍，等. 三氯乙烯好氧共代謝降解菌鑒定和降解特性研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2013，36（1）：61-64.ZHANG Xiangsheng，LI Junhui，KANG Yijun，et al. Isolation and characterization of a novelPseudomonassp. Strain Em-1 capable of degrading trichloroethylene by cometabolism under aerobic conditions[J]. Environmental Science & Technology，2013，36（1）：61-64.

[14] WANG Y H，LIU R Q，LIU W F，et al. Production of a novel bioflocculant by culture ofPseudomonas alcaligenesusing brewerywastewater and its application in dye removal[C]//International Conference On Energy And Environment Technology，Guilin，China，2009：678-682.

[15] WANG SZ，YANG Q，ZHANG LN，et al. Kinetics of the aerobicco-metabolism of 1,1-dichloroethylene byAchromobactersp.：a novel benzene-grown culture[J]. Biotechnology Letters，2014，36（6）：1271-1278.

[16] PERREAULT N N，MANNO D，HALASZ A，et al. Aerobic biotransformation of 2,4-dinitroanisole in soil and soilBacillussp.[J].Biodegradation，2012，23（2）： 287-295.

[17] 王光華，劉雪琴，李文兵，等. 共代謝基質(zhì)對芽孢桿菌Y-4降解異喹啉的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2013，7（10）：4134-4138.WANG Guanghua，LIU Xueqin，LI Wenbing，et al. Influence ofco-metabolism substrates on isquinoline biodegradation byBacillusY-4[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering，2013，7（10）：4134-4138.

[18] 李巖. 好氧共代謝降解地下水和土壤中三氯乙烯的研究[D]. 天津：南開大學(xué)，2014.LI Yan. The study on aerobicco-metabolism of trichloroethylene in groundwater and soil[D]. Tianjin：Nankai University，2014.

[19] 浦雪. 地下水硝基甲苯降解菌的篩選及降解特性[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2013.PU Xue. Screening and degradation charactariatics of nitrotoluenedagrading bacteria under groundwater conditions[D]. Nanjing：Nanjing University of Science & Technology，2013.

[20] SEESURIYACHAN P，TAKENAKA S，KUNTIYA A，et al.Metabolism of azo dyes byLactobacillus caseiTISTR 1500 and effects of various factors on decolorization[J].Water Research，2007，41（5）：985-992.

[21] 侯雪敏，臧淑艷，李盼盼，等. 黑曲霉對菲共代謝降解的影響[J]. 沈陽化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，26（2）： 97-100.HOU Xuemin，ZANG Shuyan，LI Panpan，et al. Impact ofAspergillus Nigeron phenanthrene on theco-metabolic degradation[J]. Journal of Shenyang University of Chemical Technology，2012，26（2）：97-100.

[22] 楊智臨，陳海，白智勇，等. 生物共代謝法降解石油污染土壤中的萘、菲[J]. 油氣田地面工程，2014，33（11）：48-49.

[23] MURRAY W D，RICHARDSON M. Progress toward the biological treatment of C1and C2halogenated hydrocarbons[J]. Critical Reviews in Environmental Science & Technology，1993，23（3）：195-217.

[24] 司徒杰生，王光建，張登高. 化工產(chǎn)品手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.SITU Jiesheng，WANG Guangjian，ZHANG Denggao，et al.Chemical product handbook[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2004.

[25] 張為. 不同基質(zhì)共代謝降解廢水中靛藍(lán)的研究[D]. 廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2013.ZHANG Wei. Degradation of indigo by differentco-metabolism substrates in wastewater[D]. Guangzhou：Guangdong University of Technology，2013.

[26] CHATURVEDI V，BHANGE K，BHATT R，et al. Biodetoxification of high amounts of malachite green by a multifunctional strain ofPseudomonas mendocinaand its ability to metabolize dye adsorbed chicken feathers[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering，2013，1（4）：1205-1213.

[27] YANG X，ZHENG J，LU Y，et al. Degradation and detoxification of the triphenylmethane dye malachite green catalyzed by crude manganese peroxidase fromIrpex lacteusF17[J]. Environmental Science and Pollution Research，2016，23（10）：9585-9597.

[28] 譙建軍. 三苯甲烷類染料廢水微生物降解研究[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2005.QIAO Jianjun. Study on biodegradation of triphenylmethane dyes wastewater[D]. Xi'an：Xi'an University of Technology，2005.

[29] 張興，堵國成，陳堅(jiān). 一株聚乙烯醇降解菌的降解特性[J]. 化工學(xué)報(bào)，2006，57（7）：1649-1654.ZHANG Xing，DU Guocheng，CHEN Jian. Characteristics of poly(vinyl alcohol) degradation bacteriumXanthomonassp.[J].Journal of Chemical Industry and Engineering（China），2006，57（7）：1649-1654.

[30] KHEHRA MS，SAINI HS，SHARMA DK，et al. Decolorization of various azo dyes by bacterial consortia[J]. Dyes and Pigments，2005，67（1），55-61.

[31] 章杰. 禁用染料和環(huán)保型染料[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：117.ZHANG Jie. Disable dyes and environmental friendly dyes[M].Beijing：Chemical Industry Press，2001：117.

[32] 陳剛. 偶氮染料廢水生物脫色及典型脫色產(chǎn)物好氧降解性能研究[D]. 上海：東華大學(xué)，2012.CHEN Gang. Biodecolorization of azo dye and aerobic degradation typical product from decolirazation[D]. Shanghai：Donghua University，2012.

[33] 范鳳霞. 混合菌群FF對活性黑5的脫色降解研究[D]. 上海：東華大學(xué)，2013.FAN Fengxia. Study on decolorization and degradation of reactive black 5 by the Flora FF[D]. Shanghai：Donghua University，2013.

[34] 謝學(xué)輝，朱玲玉，劉娜，等. 印染廢水處理功能菌研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2015，34（2）：554-560.XIE Xuehui，ZHU Lingyu，LIU Na，et al. Progress of functional bacteria in printing and dyeing wastewater：biological treatment[J].Chemical Industry and Engineering Progress，2015，34（2）：554-560.

[35] SHAKERI M，SHODA M. Efficient decolorization of an anthraquinone dye by recombinant dye-decolorizing peroxidase（rDyP） immobilized in silica-based mesocellular foam[J]. Journal of Molecular Catalysis B：Enzymatic，2010，62（3/4）：277-281.

[36] HUANG LH，SUN GP，YANG T，et al. A preliminary study of anaerobic treatment coupled with micro-electrolysis for anthraquinone dye wastewater[J]. Desalination，2013，309：91-96.

[37] 高淑玲，楊翠玲，羅鑫圣，等. 坡縷石黏土污泥對水相中亞甲基藍(lán)吸附研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2014，34（1）：78-84.GAO Shuling，YANG Cuiling，LUO Xinsheng，et al. Study on methylene-blue adsorption from water phase by palygorskite clay sludge[J]. China Environmental Science，2014，34（1）：78-84.

[38] RAFAELLY L ，HERON S，NOWIK W，et al. Optimisation of ESI-MS detection for the HPLC of anthraquinone dyes[J]. Dyes and Pigments，2008，77（1）：191-203.

[39] 黃永輝，羅艷. 活性染料的毒性初探[J]. 印染，2001（7）：16-17.HUANG Yonghui，LUO Yan. Preliminary study on toxicity of reactive dyes[J]. Dyeing & Finishing，2001（7）：16-17.

[40] 董曉麗. 膠質(zhì)紅假單胞菌對活性艷藍(lán)KN-R的脫色研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2002.DONG Xiaoli. Decolorization of reactiva brilliant blue（KN-R）byRhodocyclus gelatinosus[D]. Dalian：Dalian University of Technology，2002.

[41] ZEENAT Khan，KUNAL Jain，ANKITA Soni，et al. Microaerophilic degradation of sulphonated azo dye-Reactive Red 195 by bacterial consortium AR1 throughco-metabolism[J]. International Biodeterioration& Biodegradation，2014，94：167 - 175.

[42] 吳曉磊. 微電解技術(shù)及其組合工藝預(yù)處理直接染料廢水實(shí)驗(yàn)研究[D]. 蘭州：蘭州大學(xué)，2015.WU Xiaolei. Micro-electrolysis and combinations experimental study on the integration process of direct dye wastewater[D]. Lanzhou：Lanzhou University，2015.

[43] 袁海源，陳季華，郭麗，等. 直接染料在兼氧條件下的生物降解性能研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理，2008，33（1）：110-114.YUAN Haiyuan，CHEN Jihua，GUO Li，et al. Studies on facultative biodegradability of direct dye stuffs[J]. Environmental Science and Management，2008，33（1）：110-114.

Research overview of microbialco-metabolism on printing and dyeing wastewater treatment

ZHANG Qingyun1，2，XIE Xuehui1，2，LIU Jianshe1，2
（1College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China；2State Environmental Protection Engineering Center for Pollution Treatment and Control in Textile Industry，Shanghai 201620，China）

The use of microbialco-metabolism degradation of organic pollutants in wastewater has drawn more and more attention because of its high efficiency and uniqueness. At present，majority of laboratory researches were on aerobicco-metabolism and anaerobicco-metabolism. There were few studies on theco-metabolism of facultative microorganisms. In this paper，aerobic microorganisms，anaerobic microorganisms and facultative microorganismsco-metabolize the refractory pollutants in printing and dyeing wastewater were introduced. The results showed that at the aerobic，anaerobic，and facultative conditions，different target pollutants has their own most appropriateco-substrates. The domestic and overseas research progresses of facultative metabolic treatment of printing and dyeing wastewater were the main focus for this paper. Under the facultative condition，facultative microorganisms were able to effectively degrade various different types of dyes，additivesetc.，as long as providing suitableco-substrates. At the same time，facultative microbialco-metabolism had the advantages of not requiring of a lot of energy and not producing of large amount of odorous substances.The results suggested that further studies on the mechanism are needed in the future，and the efficiency of microbialco-metabolism can be further improved. Finally，the research on the mechanism of facultative microbialco-metabolism needs to be conducted to screen out the dominant bacteria in functional strains，to carry on the differentially expressed proteins and proteomics research. Constantly optimizing the proportion of microbial community structure in dyeing wastewater will promote the treatment effect of functional flora and provide more insight for the solution of printing and dyeing wastewater biotreatment in future.

co-metabolism；printing and dyeing wastewater；facultative microorganisms；dyes

X172

：A

：1000-6613（2017）09-3492-10

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0284

2017-02-22；修改稿日期：2017-03-29。

國家自然科學(xué)基金（21377023，51508083）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2232015D3-22）、上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（B604）及國家留學(xué)基金委項(xiàng)目。

張慶云（1992—），女，博士研究生，從事水處理及環(huán)境微生物研究。E-mail：zqyfqyy@163.com。聯(lián)系人：謝學(xué)輝，副教授，從事環(huán)境應(yīng)用微生物研究。E-mail：xiexuehui@dhu.edu.cn。